复杂岩石块体识别的单元重构–聚合方法

 为解决工程岩体开挖中含有复杂开挖边界时的块体识别问题,提出岩石块体识别的单元重构–聚合方法。首先,引入成熟的网格划分技术,通过建立网格模型(如有限元模型),实现对复杂开挖边界的精确模拟;其次,采用基于单元重构技术的结构面建模方法,将分布于岩体内的结构面建入网格模型;然后,提出基于单元聚合技术的块体构建方法和考虑有限性结构面时的单元组处理方法;最终可实现基于网格模型的复杂岩石块体识别。该方法识别所得的块体系统基于网格模型,块体的所有特征信息均可通过模型的单元和节点提取,块体的可视化也可在既有网格模型图形显示平台上实现。算例验证表明,当将结构面分别考虑为无限延伸和有限延展时,该方法的块体识别和稳定分析成果均与通用块体分析软件的结果一致。进一步将该方法应用于水电站大型地下洞室群的块体识别,可证明其应用于复杂岩石块体识别的有效性和优越性。因此,该方法是一种能够考虑复杂工程岩体开挖边界的岩石块体识别的新方法,其实现过程独立于基于拓扑原理的传统块体识别思路,为块体稳定分析提供了新的实现途径。     

节理岩质边坡的块体元塑性极限分析下限法

结合块体元和塑性极限分析,并利用数学规划的方法,提出了一种新的岩石边坡稳定分析方法-块体元塑性极限分析下限法。针对节理岩体的力学特性,将岩体离散为块体–结构面组成的块体系统,假定块体为刚体;以结构面应力为未知量,根据塑性极限分析下限定理,构造了满足平衡方程、边界条件和屈服条件的静力许可应力场;建立了边坡稳定的下限法数学规划模型,并通过非线性规划方法寻求问题的下限解。最后对三个典型的算例进行分析,结果表明:采用本方法不需要逐个计算可能的滑动形式,而直接得到边坡稳定安全系数,结果同刚体极限平衡法十分接近。     

边坡稳定的块体单元法分析

 边坡稳定是岩土工程中一个极其重要的问题。目前的边坡稳定分析方法都存在不同的缺陷, 有的方法太复杂, 有的方法过于简化。利用一种改进的刚体极限平衡法——块体单元法进行边坡稳定分析, 该方法兼有刚体极限平衡法和有限元法的优点, 既满足全部的平衡条件, 又在一定程度上考虑了材料的变形。算例表明, 该方法不失为一种合理而有效的边坡稳定分析法。     

刚体离散元动力方法在基于位移的岩坡地震响应分析中的应用

当前岩坡地震动力响应分析中,多采用极限平衡方法分析拟静力安全系数,采用Newmark滑块分析动力永久位移,假设较多,工程实用性受限。将刚体离散元方法引入岩坡地震动力稳定性评价工作中。通过与强度折减法、Newmark法中的永久位移评价相结合,提出一种复杂岩坡静动力稳定性分析方法。初步认识表明:(1)采用极大节理刚度可以减少节理刚度带来的弹性接触位移,使得刚体离散元用于求解岩坡楔形块体的静/动力稳定性问题。(2)刚体离散元强度折减法可以无需假设块体运动方向或假定滑动形式,直接求解获取安全系数、下滑力等结果,可以考虑复杂形状块体,相比传统方法更具优势和实用性。(3)与4个经典静力算例与3个动力算例的对比验证,表明提出的刚体离散元方法及程序实现的正确性。(4)采用提出的方法,研究幅值、节理面交线倾角等参数对岩坡地震响应永久位移的影响规律研究,表明刚体离散元方法可以根据参数变化得到正确的得到相应的结果变化规律。且对比发现在某些特定条件下拟静力安全系数不能正确反映岩坡地震响应的陡增程度。(5)在工程实例中,采用刚体离散元方法进行K1块体基于位移的地震稳定性评价,给出基于超越概率的支护设计方案。相比拟静力安全系数设计方案,在满足使用条件的前提下优化程度更高。研究可为岩坡静动力稳定性分析提供一种新的思路。     

基于数字摄像测量的开挖空间模型及不稳块体的快速识别

开挖空间模型构建和不稳块体识别是岩体稳定性研究中非常重要的基础性研究课题.采用数字摄像测量技术可快速获取现场围岩结构面信息,建立围岩开挖空间模型.在此基础上,提出一种新的块体识别方法,即将岩体划分为小的块体单元,然后依次添加结构面,对块体单元进行切割,最后去除网格合并块体单元形成形态复杂的空间块体模型.运用该识别方法对丹东-大连高速公路隧道工程的不稳块体进行快速识别,结果显示:该方法具有较强的通用性和可靠性,有助于岩体隧洞开挖过程中超前预报和加固方案的优化.     

应力作用下软硬互层岩石破裂过程的细观模拟

 采用数值模拟方法研究软硬互层岩石材料在不同围压条件下的压缩破坏过程。利用改进刚体弹簧方法,模拟细观裂隙的起裂和扩展过程。界面破坏准则结合莫尔–库仑准则和抗拉强度准则,能同时考虑拉裂和剪切2种破坏模式。岩石材料由以Voronoi图形为基础的块体集合表征为显式模拟结构面,提出一种分步插点的计算网格自动生成算法。对已有的典型实验进行计算,模拟得到不同围压下不同倾角数值试件的破坏模式和抗压强度。与实验结果的对比表明,改进刚体弹簧方法能够定性和定量地描述由于软硬互层结构引起的抗压强度各向异性,不同围压条件下得到的破坏模式也与实验结果吻合良好。     

基于离散单元法的白鹤滩水电站复杂块体稳定性分析

 节理岩体边坡块体稳定性分析是岩体力学工程实践中关心的一个重要问题,经典极限平衡理论在求解复杂块体稳定时具有诸多的限制。基于离散单元法作为运行平台,推导复杂块体安全系数计算公式,并在此基础上编制复杂块体稳定性分析程序,能够弱化复杂地形、材料非线性以及初始地质条件等传统问题的约束;继而运用2种经典块体模型对该程序进行正确合理性验证。最终将程序应用于白鹤滩左岸边坡复杂块体稳定性分析研究,给出关键块体安全系数及其潜在破坏模式,并根据块体稳定性特征及其变形模式给出加固建议。该研究结果对岩体边坡复杂块体稳定性研究具有一定指导意义。     

模拟岩体失效全过程的连续–非连续变形体离散元方法及应用

 岩石、混凝土等材料,由于存在细观构造的非均匀性,其损伤–破碎发展过程及破损特征与材料中含有的微裂隙分布相关。基于有限–离散耦合分析的思路,在变形体离散元法的基础上引入基于弹塑性断裂力学的黏聚力模型,在细观单元之间插入界面单元,并对界面单元的刚度等参数进行推导,通过界面单元的起裂、扩展和失效,实现岩体开裂扩展的数值模拟。以岩石单轴压缩、单个颗粒破碎以及边坡失稳3个算例对该方法进行验证,结果表明：所提出的方法能较好地模拟计算裂纹的开裂萌生与扩展,反映岩石介质从小变形到大变形再到破坏的全过程。     

考虑扩容碎胀特性的岩石本构模型研究与验证

 高应力卸荷条件下岩石扩容碎胀非连续变形行为研究对揭示深部巷道围岩稳定性演化及控制机制,分析预测围岩稳定性具有至关重要的意义。为此,依托室内岩石三轴卸荷试验,首先研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征,提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则,并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律,建立描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型,采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中,实现其非线性数值计算功能。同时,通过室内岩石试验曲线的模拟拟合,表明该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。最后,将该模型应用于一典型深部巷道围岩破损区分布的模拟研究中,通过与经典模型的对比分析,验证该模型在工程应用方面的可行性,并有针对性地提出深部巷道稳定性分析与维护的合理化建议。     

三峡工程地下厂房围岩稳定性研究

三峡工程地下厂房围岩稳定性问题是地下厂房主要的岩石力学问题。以地下厂房岩石力学试验及地应力测试结果为基本资料,采用有限元数值计算、工程岩体分级、围岩块体分析等分析手段,对地下厂房围岩稳定性问题进行了研究,并对围岩稳定性及必要的支护措施进行了讨论。     

岩石边坡开挖及加固分析的弹粘塑性块体元方法

首先介绍了可用于边坡开挖及加固分析的弹粘塑性块体方法。该法把岩体视为具有弹粘塑性性质的结构面切割形成的刚性块体系统，考虑加固结构件在结构面上变形的协调条件，建立求解块体系统和加固构件系统的变形和破坏过程。然后介绍该方法小湾高洪坝坝肩和坝基开挖施工期稳定性研究中的应用情况。     

基于刚性块体系统的岩质边坡稳定性下限法研究

块状岩质边坡由岩块和结构面两部分组成,而且结构面的存在以及结构面的强度控制着岩体的强度和稳定性;将塑性极限分析下限法理论、块体离散技术以及数学规划手段结合起来,研究块状岩质边坡的稳定性。首先将边坡离散成为刚性块体系统+结构面的组合体,考虑岩块体与结构面的综合作用,然后基于塑性极限分析的下限定理,建立以边坡稳定安全系数为目标函数且同时满足平衡条件、屈服条件和边界条件的塑性极限分析下限法数学规划模型,进而提出了相应的求解策略并编制了计算程序。最后对4个经典算例进行了分析,得到了严格的下限解,并将计算结果与其他方法的结果进行了比较,验证了方法和程序的正确性。     

Extended key block analysis for support design of blocky rock mass

An extended key block method for rock mass stability analysis is proposed by considering the force effect of key blocks in later batches to the first batch which is exposed at rock mass surfaces. Through a realistic numerical representation of a three-dimensional rock mass, different batches of key blocks are searched by means of a progressive failure process. A force transfer algorithm is developed to consider the interactions of the key blocks in different batches. The calculated sliding forces in the first batch which consider the later batches’ effect will lead to a better design of rock supports. After selection of a reinforcement scheme, the stability of the reinforced rock mass is re-assessed. Those larger instable blocks formed by inside blocks with anchored surface blocks are checked out. It is found that the two-step check of a reinforcement scheme, i.e. (1) safety check of the bolted individual blocks; (2) safety check of the bolted block groups is more effective. Results show that the proposed rock support design method is more realistic and rational for the reinforcement of blocky rock mass.     

Rock reinforcement systems

A terminology for reinforcement practice is proposed based on the idea that a reinforcement device, rock mass and reinforced rock mass are all systems of components. It follows that the force-deformation behaviour of each system is a consequence of the particular physical and mechanical characteristics of the system components and their interactions. Using this systems approach and the associated terminology, a method is proposed for the design of reinforcement for excavations in jointed rock. The design method is based on identifying and stabilising the blocks of rock that may form at the excavation boundary. It uses the early developments in block theory for identification and stability assessment of the blocks. These developments are supplemented with new reinforcement design and stability assessment procedures for the unstable blocks.     

岩体的三维弹粘塑性阶谱块体单元法

提出了岩体的三维弹粘塑性阶谱块体单元法。首先，定义各块体单元的最小包围盒为其覆盖单元，在覆盖单元上采用阶谱形函数和弹粘塑性本构模型；然后，根据虚功原理，推导了块体系统的整体平衡方程；最后，就其中的数值积分和边界条件处理等问题进行了探讨。运用所提方法分析了两个简单算例，结果与解析解和有限单元法数值解很吻合，从而验证了其正确性和有效性。所提方法具有前处理简单、计算精度高等特点，适合于岩体变形与稳定分析。     

块体理论赤平解析法在龙滩水电站地下厂房洞室群稳定分析中的应用

龙滩水电站地下厂房开挖区域岩体不连续面发育，确定厂房开挖面是否可能产生可动块体并判断其稳定性具有重要实际意义。块体理论是适用于分析断层、节理发育破碎刚性岩体稳定性的有效方法，在对场区工程岩体勘察资料的详细研究基础上，运用块体理论赤平解析法分析龙滩水电站地下厂房洞室群的稳定性，对各开挖面构成可能移动块体的不连续面分布情况进行较系统的评价，得出厂房各部分可动块体分布的直观统计结果，为设计有效的加固方案提供了依据。     

某隧道边坡稳定性研究

通过对隧道边坡破坏模式分析,建立了边坡地质概化模型,确定了岩体及控制性结构面物理力学参数,并基于刚体极限平衡法对边坡在不同工况条件下的安全系数进行了计算分析,分析结果表明,目前条件下边坡整体趋于稳定,但隧道的开挖会导致边坡稳定性一定程度降低,暴雨工况会导致边坡稳定性显著降低,最后为进一步探讨边坡加固方案提出了建议。